数据结构与算法:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 6 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

图论

握手引理
Σ deg(v) = 2|E|
完全图
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
正则图
|E| = n·k/2
树与森林
|E| = n − 1, |E| = n − c
树的叶子
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
欧拉
回路:所有顶点度数为偶数; 通路:恰有 2 个奇度顶点
Kn 中的哈密顿回路
(n − 1)!/2
迪杰斯特拉更新
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
长度为 L 的途径
(Mᴸ)ij

方法

  1. 写出每个顶点的度数;所有度数之和等于边数的两倍。
  2. 对于欧拉问题,先检查图是否连通,再数一数奇度顶点的个数。
  3. 对于树,利用 n − 1 条边和握手引理。
  4. 对于迪杰斯特拉算法,保留一张暂定距离表,每一轮确定未确定顶点中距离最小的那个。
  5. 对于最小生成树,把边按权重排序,跳过每条会形成圈的边(克鲁斯卡尔算法),或者从一个起点出发扩展一棵树(普里姆算法)。

2练习题

1.算法与复杂度中等

贪心算法(greedy algorithm):

  1. A在每一步都做出局部最优的选择
  2. B尝试所有可能的解
  3. C只使用递归
  4. D总能给出最优解
2.算法与复杂度困难

关于 little-o 记号,下列哪个说法是正确的?

  1. An = o(n²),但 n 不是 o(n)
  2. Bn = o(n),因为每个函数都是自身的 little-o
  3. C2n = o(n),因为 2n 增长得慢
  4. Dn² = o(n)
3.数据结构中等

一个大小为 7 的哈希表使用 h(k) = k mod 7 和线性探测。插入 10 之后,17 存放在哪里?

  1. A下标 6
  2. B下标 3
  3. C下标 0
  4. D下标 4
4.数据结构困难

建立在 n 个数的数组上的树状数组(Fenwick tree,binary indexed tree)以 O(log n) 支持哪些操作?

  1. A在任意位置插入元素
  2. B前缀和查询和单个元素更新
  3. C以 O(1) 求中位数
  4. D对数组排序和二分查找
5.图论中等

一棵树有 4 个度为 3 的顶点, 3 个度为 4 的顶点, 4 个度为 5 的顶点, 3 个度为 2 的顶点,其余所有顶点都是叶子(度为 1)。它有多少片叶子 L?

4 × deg 33 × deg 44 × deg 53 × deg 2
L =
6.图论困难
71161591412ABCDEF

用迪杰斯特拉算法求带权图中从 A 到 F 的最短路径的长度 d(F)。

起点:A终点:F
d(F) =

3溶液

1.算法与复杂度

答案: A · 在每一步都做出局部最优的选择

为什么是这个答案

贪心算法速度快,对某些问题是最优的(例如 Dijkstra、Huffman 编码),但一般情况下并非如此(例如某些硬币体系下的找零问题)。

答案

A · 在每一步都做出局部最优的选择
2.算法与复杂度

答案: A · n = o(n²),但 n 不是 o(n)

为什么是这个答案

f = o(g) 表示 f(n) / g(n) 趋于 0;n / n² 趋于 0,而 n / n = 1 则不然。

答案

A · n = o(n²),但 n 不是 o(n)
3.数据结构

答案: D · 下标 4

为什么是这个答案

10 mod 7 = 3,17 mod 7 = 3;下标 3 已被占用,因此线性探测尝试下一个槽位,即下标 4。

答案

D · 下标 4
4.数据结构

答案: B · 前缀和查询和单个元素更新

为什么是这个答案

树状数组存储由每个下标的低位所确定区间上的部分和,因此前缀和与单点更新都只需 O(log n)。

答案

B · 前缀和查询和单个元素更新
5.图论

答案: L = 24

欧拉、哈密顿与树:连通图在每个顶点度数都为偶数时有欧拉回路(每条边经过一次,回到起点),在恰有两个顶点度数为奇数时有不是回路的欧拉通路;此时通路从一个奇度顶点走到另一个奇度顶点。哈密顿回路恰好经过每个顶点一次;Kn 有 (n − 1)!/2 条。n 个顶点的树有 n − 1 条边,有 m 条边的连通图在去掉 m − n + 1 条边后保留一棵生成树。

树的握手引理

L + 50 = 2(L + 14) − 2
L = 24

答案

L = 24

捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。

6.图论

答案: d(F) = 28

最短路径与生成树:迪杰斯特拉算法每一轮确定一个顶点:暂定距离最小的未确定顶点。它的距离随即成为最终值,并且每个邻点 v 得到 d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))。克鲁斯卡尔算法按从轻到重的顺序取边并跳过会形成圈的边,从而构造最小生成树;普里姆算法从一个起点出发扩展一棵树,每次加入离开这棵树的最轻的边。n 个顶点的生成树有 n − 1 条边。

迪杰斯特拉算法逐轮过程

每一行:被确定的顶点、它的最终距离,以及距离得到改进的邻点。

A (0): B: 7, C: 1
C (1): B: 2, E: 16
B (2): D: 8, E: 14
D (8)
E (14): F: 28
F (28)

最短路径

A → C → B → E → F
d(F) = 28

答案

d(F) = 28

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